SF6气体绝缘中压开关柜的技术特点和典型结构分析

（一）SF6气体绝缘中压开关柜的技术特点

12～40.5kV SF6气体绝缘开关柜有多种不同结构，虽然它们的形态差异很大，但在设计思想上有许多共同的特点：

（1）国外除极个别的中压GIS内使用六氟化硫断路器外，其余绝大多数的公司均选用技术先进型免维护真空断路器，它的零部件少，操作功小，开断次数多，机械寿命和电气寿命长。在整体布局方面，只有断路器的极柱固定在充气隔室（气箱）内，操动机构位于柜前（充气隔室外），操作与维护均十分便利。

（2）充入0.02～0.05MPa的微正压SF6气体，凭借其优异的绝缘强度，大大缩减了开关装置的体积。

（3）采用结构简单、紧凑的三工位开关，可方便地接通母线，进行隔离和接地操作。

（4）使用固体界面绝缘技术的插入式电缆插座和T形、肘形电缆接头，便于现场安装施工。

（5）配用微机型多功能继电保护装置，增强开关装置的智能功能，实现人机交流对话、运行自动化和变电站无人值班。

（6）充气隔室（气箱）的防护等级为IP65，技术先进型产品年漏率极低，泄漏率不大于0.1%；一般可连续运行30年无需补气。

（7）有负荷开关柜、负荷开关—熔断器组合电器柜、测量柜、联络柜、母线PT柜等多种功能的充气柜以及单母线和双母线结构，可方便地组合、扩展，以满足各种线路设计的需要；此外，还可构成环网供电单元等多种供电形式的开关装置。

（二）SF6气体绝缘中压开关柜的结构分类与典型示例

1.SF6气体绝缘中压开关柜的结构类型

从结构形式区分，SF6气体绝缘中压开关柜有罐式和箱式两种设计，分别称为罐式GIS和箱式GIS（也称为CGIS）。而从主回路元件在隔室（气箱）中的布置区分，在罐式设计中则又可分为三相共箱和三相分箱两种结构。三相分箱充气柜的一个优点是可以避免相间短路故障。由于35kV中性点绝缘运行系统的特点是：为防止电弧间歇接地引起的过电压，经消弧线圈的调谐，系统中发生的相—地短路电流一般被限制不超过10A，所以在隔室内SF6气体中的相—地短路电弧可自行熄灭。而三相共箱结构的充气柜发生相间短路故障时对系统影响大。

表3-4列出了一些现行国内、外产品的型号、主要技术参数与结构特征，其中有的国外产品已将原来的额定电压从36kV或38kV升至40.5kV，以适合我国系统运行的要求。

2.罐式设计的特点和典型结构示例

分析罐式设计中的三相共箱结构和三相分箱结构得知，三相共箱的零部件最少，但罐体尺寸却很大，在生产中铸造大型铝罐的合格率较低，成本高。因而有的公司采用钢板卷制和焊接工艺，这样成本低且容易加工；三相分箱结构的罐体尺寸小，宜采用铝压力铸造工艺制造罐体，但合格率比大型铝罐体高。

（1）Siemens公司的8DA10型（单母线）和8DB10型（双母线）SF6气体绝缘开关柜。这两种开关柜是三相分箱结构的典型设计之一，它最早于1982年推出。因其良好的经济效益和运行可靠等优点，所以国际上甚至在我国迄今为止仍为使用量最多的一种GIS。8DA10和8DB10型气体绝缘开关柜的真空断路器在结构上属于分体式，其机械和电气特性类别是M2和E2，断路器开断额定电流10000次无需维修，开断电容器组的特性为C2极；弹簧操动机构的寿命为30000次。

8DA10和8DB10型气体绝缘开关柜的外形如图3-24所示。开关装置由低压室、三工位开关及其操动机构、断路器隔室、断路器操动机构、母线隔室、仪用互感器、电缆接插件、避雷器和支架等各功能模块组成。所有的高压部分封装在几个压力铸造的铝合金小型罐体内，罐体的机械强度可承受压力20MPa。在图3-24（a）中，母线隔室7位于上方，它安装在断路器隔室8的顶部。真空灭弧室装在断路器隔室的中央，动触头在顶部。操作柜前的操动机构时，断路器驱动轴10同时转动三相断路器的拐臂，经调整，它同步控制着三相合、分闸动作；在联锁机构的控制下，断路器驱动轴还兼有操动三工位开关的功能。断路器隔室下方是电缆插座12，除图示的形式外，还有其他多种结构形式的插座，能满足充气电缆头连接或固体界面绝缘电缆头连接以及多根电缆并联的需要，当其为固体界面绝缘的内锥插座时，可在现场方便地连接T形、肘形电缆接插件或GIS专用的氧化锌避雷器。开关装置采用环形低压电流互感器11，它位于在铝罐最下方的低电位部位，运行中变更接线或更换互感器都非常方便、安全。在图3-24（b）所示的双母线结构中，为转接两路母线的操作需要，在断路器隔室8上方增设了三工位开关隔室16和位于其右侧切换母线Ⅱ的隔离开关隔室15，操作这两个开关的机件是三工位开关驱动轴17。

表3-4　几种SF6气体绝缘柜的技术数据

续表

开关装置的电压测量模块采用电容分压结构，因而重量轻，它密封在一个单独的小型充气罐中；有的电压测量模块还附有三工位开关可供选择，便于现场更换操作。

图3-25（a）、（b）分别示出了8DA10型气体绝缘开关柜和8DB10型气体绝缘开关柜的极柱结构剖面，图3-25（c）所示为断路器的弹簧操动机构，图3-25（d）所示为断路器极柱的压力释放结构图。

图3-26是GIS专用的插拔式3EH2型氧化锌避雷器结构简图，其内部元件为高梯度、大通流容量的氧化锌电阻片。

图3-24　8DA10和8DB10型SF6气体绝缘开关柜

（a）8DA10型单母线柜；（b）8DB10型双母线柜
1—低压室；2—数字继电器多功能保护装置；3—三工位开关的操动机构和联锁、三工位开关与断路器的位置指示；4—各充气隔室的气体密度计；5—断路器操动机构；6—高压带电显示器；7—母线隔室；8—断路器隔室；9—触头弹簧；10—断路器驱动轴；11—环形电流互感器；12—电缆插座；13—母线Ⅰ隔室；14—母线Ⅱ隔室；15—隔离开关隔室；16—三工位开关隔室；17—三工位开关驱动轴

图3-25　8DA10型气体绝缘开关柜和8DB10型气体绝缘开关柜断路器的极柱和断路器操动机构

（a）8DA10型气体绝缘开关柜单母线极柱；（b）8DB10型气体绝缘开关柜双母线极柱；（c）断路器的弹簧操动机构；（d）压力释放装置
1—母线隔室；2—母线；3—单母线的三工位开关；4—盆式绝缘子；5—断路器隔室；6—真空灭弧室；7—环形电流互感器；8—母线Ⅰ隔室；9—母线Ⅱ隔室；10—母线Ⅰ；11—母线Ⅱ；12—双母线的三工位开关；13—母线Ⅱ的隔离开关；14—防护板；15—压力释放膜；16—吸附剂袋（内装分子筛）

图3-26　3EH2型插拔式避雷器的结构简图

1—高压触头；2—硅橡胶外锥插头；3—O形密封圈；4—金属法兰；5—紧固螺栓（兼接地）；6—铝合金圆筒；7—主绝缘（硅橡胶）；8—氧化锌电阻片柱；9—端帽；10—压力释放薄膜

在隔室结构设计方面，8DA10型气体绝缘开关柜和8DB10型气体绝缘开关柜充分借鉴了高压GIS的经验。每台开关的三个极柱是独立的三个充气系统，各系统的压力由带有报警功能的密度计监视。充气隔室的防护等级为IP65，额定充气压力一般为0.12MPa，对36kV和符合IEC绝缘水平的开关装置，则有0.05MPa、0.07MPa和0.1MPa几种不同的压力。开关装置的年漏率不大于0.1%，能确保40年可靠运行。相邻两隔室之间用环氧树脂浇铸的盆式绝缘子密封连接，一旦其中某台开关装置发生故障，不会影响相邻开关的运行。母线室的压力释放膜及分子筛置于每相母线的两端和母联柜铝罐顶部，动作压力为0.36MPa。为克服多台柜拼柜时的积累误差和补偿温度变化产生的长度伸缩，每隔10台柜在水平母线方向上的隔室中增设一个金属波纹管，内部铜排也在相应部位用软导电带连接。

（2）8DA11型和8DA12型GIS。基于8DA10型气体绝缘开关柜和8DB10型气体绝缘开关柜的结构，Siemens公司拓展出的单极8DA11型和双极8DA12型GIS，如图3-27所示，将该系列开关装置的优异特性应用到电气化铁道牵引供电系统，它们尤其适用于气候条件恶劣的场所如高海拔地区、高湿度的隧道、山洞等。这两种SF6气体绝缘开关柜的额定参数均为27.5kV、31.5kA、2500A，其中8DA12型GIS用于自耦调压器供电方式（AT）的线路，两个27.5kV的极柱串联实现控制55kV电源的功能。

图3-27　8DA11型和8DA12型电气化铁道SF6气体绝缘开关柜
（a）单极结构；（b）双极结构

（3）WI型SF6气体绝缘开关柜和PG100型SF6气体绝缘开关柜GIS。国外生产的三相共箱罐式结构SF6气体绝缘开关柜还有Areva（原AEG）公司的WI型和瑞士Sprecher Energie公司PG100型。WI型SF6气体绝缘开关柜的结构如图3-28所示，最大额定电压为52kV。这类结构最大特点是结构非常紧凑，充气隔室少，部件也比分箱结构少得多。与三相分箱式相比，它们的驱动轴与被控部件的距离很短，容易调整断路器三相同步动作。每个充气隔室之间设有密封绝缘隔板。开关装置的外壳为铸铝罐。

图3-28　WI型SF6气体绝缘开关柜（36kV）

（a）单母线WIA型；（b）双母线WIB型
1—断路器、隔离开关与接地开关隔室；2—操动机构与压力监测装置；3—母线隔室；4—电缆室；5—低压室；6—母线Ⅰ隔室；7—母线Ⅱ隔室(www.xing528.com)

PG100型SF6气体绝缘开关柜的结构简图如图3-29所示。它的设计特点是三相元件装于一个大型碳素钢板卷制的罐内，三工位开关、电缆隔室位于顶部，母线室位于底部，其上方的三工位开关连接着母线与断路器室。两套操动机构分别控制三工位开关和断路器。因而结构紧凑、成本也较低。

3.箱式设计的特点和典型结构示例

箱式GIS（CGIS）通常设计均采用三相共箱的结构，因而零部件较少，构造较简单是其显著的优点。箱式GIS的隔室通常用厚碳素钢板或2～3mm不锈钢板焊接而成。零部件布局、安装紧凑是箱式结构的最大特点。CGIS细分又有大、小型箱体设计两种。

（1）ABB Calor Emag公司研发的GIS。ABB Calor Emag公司最早开始致力于箱式GIS的设计与发展，在生产ZV2型多年之后，又更新设计，改为单母线ZX1型和单、双母线可选的ZX2型CGIS，最大电气参数40.5kV、31.5kA、2500A；近年来基本推广ZX1.2型，最大电气参数40.5kV、31.5kA、2500A。ZX2型和ZX1.2型的结构简图分别如图3-30和图3-31所示。在设计上，它们有以下一些特点：

图3-29　PG100型SF6气体绝缘开关柜

1—低压室；2—真空断路器操动机构；3—电缆室出线插座；4—断路器隔室；5—高压电缆；6—母线隔室

1）采用小型箱体设计，箱体用不锈钢板激光焊接而成，焊接后无需任何表面处理。在结构上，由于箱体小，箱内无需像ZV2型那样设有许多加强筋也不会在充气后出现明显变形；一次元件安装后隔室充气封存，成为独立的气箱，适于流水作业组装、生产效率高。

2）真空断路器在气箱内采取平卧方式固定，以减少气箱的高度。气箱之间的连接基于固体界面绝缘技术，用接插件实现导体接通。电压互感器和电流互感器安装在气箱外，更换十分方便；断路器的操动机构也设在气箱外，便于维护与调整。

图3-30　ZX2型C-GIS结构简图（双母线断路器柜）

1—低压室；2—数字式综合控制和保护装置；3—三工位开关操动机构；4—断路器操动机构；5—密封电缆插座；6—释压通道；7—压力释放薄膜；8—母线；9—三工位开关；10—真空断路器；11—高压电缆；12—压力传感器（温度补偿）；13—电流互感器；14—电压互感器；15—容性带电显示器插孔

图3-31　ZX1.2型C-GIS结构简图（馈电柜）

1—气体密度传感器；2—断路器操动机构；3—装在低压室的多功能综合控制和保护装置；4—三工位开关操动机构；5—三工位开关；6—母线；7—压力释放薄膜；8—排气管（可选）；9—环形电流互感器；10—高压电缆外锥插头；11—高压电缆插座；12—容性带电显示器插孔；13—试验插孔；14—真空断路器

3）可选用最新型多功能REF 542 plus型数字式综合继电保护装置，并有用Rogowski线圈和电阻分压器构成的高精度、低功率新型电流-电压传感器供选用。

4）配用多功能SCU数字式综合继电保护装置，大大加强了对开关运行参数的测量、多种保护功能的设置、设备自监测以及与控制中心通信的自动化。

图3-32　ZX0型C-GIS结构简图

1—数字式综合控制和保护装置；2—容性带电显示器；3—三工位开关操动机构；4—断路器操动机构；5—密封高压电缆插头；6—环形电流互感器；7—主母线；8—三工位开关；9—真空断路器；10—外锥形电缆插座；11—压力释放薄膜；12—电压互感器的隔离开关；13—电压互感器

ZX0型是ABB Calor Emag公司另一种小型单母线C-GIS，额定参数为12～24kV，25kA，最大电流为1250A。柜内可安装断路器和负荷开关，连同其他各功能隔室组成小容量成套配电装置。图3-32所示为其中断路器柜的结构简图。同样，在二次控制系统，ZX0型也配用REF 542 plus数字式综合继电保护装置，为此还特别称为智能化开关装置。

（2）Siemens公司研发的CGIS。鉴于CGIS加工较方便，箱体没有罐体在铸造中因漏气而报废的问题，有利于降低成本，而且特别适用于GIS的小型化，所以这种结构日益显示出广泛发展的趋势。例如，Siemens公司自20世纪90年代末也加强了对CGIS的研制，陆续推出8DC11、NXPLUS等柜型，并随后经设计优化、改进最终成为现行的NXPLUS C型CGIS，图3-33示出了它的外形和结构图，其最大电气参数为24kV、25kA、2500A，宽×高×深=600mm×2250mm×1225mm（有释压通道）；图3-34是其双母线柜的结构简图。NXPLUS C型CGIS有以下特点：

1）三相共箱，最大限度地减小了开关装置的体积。

2）采用小型箱体设计，材料是2.5mm不锈钢板，激光焊接后无需任何表面处理。断路器平卧封固在气箱内，控制它的动触头连杆由穿过密封气箱的操纵轴控制，操纵轴与箱壁的连接用不锈钢波纹管焊接。箱体的年漏率不大于0.1%。

3）配用性能更为完善的7SJ系列数字继电器，进一步提高智能化的程度，包括电气、SF6气体在内所有运行参数的监测和整套开关装置均为无人值守，带来极大便利。与8DA10型气体绝缘开关柜相比，断路器的三相动作的同期性易于调整，密封件和隔室的数量约减少2/3。

图3-33　NXPLUS C型C-GIS（单母线断路器柜）

1—低压室；2—多功能数字继电器；3—控制面板（含各开关操动机构按钮与手柄插孔、位置指示、连锁状态指示等）；4—高压带电显示器；5—电缆室；6—母线电压互感器（可选）；7—接插式绝缘母线；8—母线电流互感器（可选）；9—充SF6密封气箱；10—三工位开关；11—真空灭弧室；12—压力释放薄膜；13—馈线电压互感器的隔离铜排；14—馈线电压互感器（可选）；15—释压通道；16—三工位开关操动机构；17—真空断路器操动机构；18—馈线电流互感器；19—外锥T形电缆插头与高压电缆；20—电缆终端的隔板

图3-34　NXPLUS C型C-GIS（双母线断路器柜）

大量采用固体界面绝缘新技术使C-GIS有效地减小了体积并简化了结构，如硅橡胶母线连接器和贯穿母线室与断路器室之间导体连接的穿墙套管件、插接式电缆连接以及插接式避雷器、电压互感器等。与罐式结构中需要现场充放气的结构件比较，硅橡胶母线连接器使气体绝缘柜现场的拼接操作大为简化，因而对降低成本和减少气体绝缘柜的维护有很大作用。常见的硅橡胶母线连接器是圆形铜棒两头安装表带式触指或弹簧触指，铜棒外部包覆着硅橡胶套管，它与安装于气箱侧壁套管的电场分布状态经有效调整以减小不均匀程度。插接式避雷器和电压互感器的优点是体积小、可便于现场投入、退出运行的操作，但要求安装件的内、外锥配合尺寸必须十分精确且接触表面非常洁净，无任何微小灰尘与污秽。操作人员必须严格按工艺操作，将内、外锥之间的空气隙完全排除，否则会发生沿面闪络。

图3-35　几种C-GIS的结构简图

（a）Alstom公司的WSG-A型（单母线）；（b）Alstom公司的WSG-B型（双母线）；
（c）Copper公司的RVAC型（单母线）；（d）Alstom公司的WSA型（单母线）；
（e）Alstom公司的WSB型（双母线）；（f）Areva公司的GMA型

（3）其他CGIS。在自2005年以后的几年里，国外也有其他公司陆续推出几种CGIS的新设计，如Alstom（原AEG）公司的WSG型CGIS，它有单、双母线两种结构，最大电气参数为40.5kV、31.5kA、2500A；还有WSA CGIS（单母线）型和WSB（双母线）型CGIS，最大参数为36kV、31.5kA、2500A，柜宽600mm，柜高2300mm（单母线）、2800mm（双母线），柜深1240～1587mm（对应不同的功能柜）。Areva公司研制的GMA型C-GIS尺寸为600mm（宽）×2100mm（高）×1000mm（深），最大电气参数为24kV、25kA、1250A。Cooper公司的RVAC型C-GIS，最大参数12kV、31.5kA、630A，断路器柜尺寸为450mm（宽）×800mm（高）×1400mm（深）。这些开关柜在结构上也都是隔室模块化设计，采用固体绝缘母线，装有友好操作界面和问询式闭锁功能的新型继电保护装置，年泄漏率不大于0.1%，在寿命期内无须补气。以上几类C-GIS的结构简图如图3-35所示。

除上述这些公司的C-GIS外，日本的日立、三菱公司和韩国三星公司也有着各自的C-GIS产品。

图3-36　N2S-40.5型C-GIS结构简图

1—断路器操动机构；2—低压室；3—真空断路器固封极柱；4—三工位开关操动机构；5—三工位开关；6—主母线；7—母线室气箱；8—真空断路器气箱；9—分支母线；10—电缆内锥插座；11—高压电缆；12—母线室气箱释压膜

国内制造业研制SF6气体绝缘开关柜约有10余年的历史。在已投产的几家单位中，上海天灵开关厂有限公司的研发工作颇具特色。它以国内专家与国外专家共同研究、设计的方式，汲取德国、日本的先进生产工艺，试制成功自主设计的多种型号和不同功能的CGIS，并装备柔性机加工流水线、自动三维激光气体保护焊机以及氦质谱检测仪等，形成一定规模的生产能力，生产的不锈钢薄板激光焊接式气体绝缘开关柜产品已批量供应国内外。为实现温室气体SF6的减排，该公司还重点研发混合气体绝缘、N2和CO2多种环境友好气体绝缘的CGIS，如N2S-40.5型CGIS，最大电气参数为40.5kV、31.5kA、2500A，充入表压为0.12MPa（20℃时额定值）的50%SF6和50%N2混合气体，防护等级为IP65，年漏率不大于0.1%；柜内安装VEG-40.5型真空断路器，机械及电气寿命为10000次，E2级。断路器柜尺寸为600mm（宽）×2300mm（高）×1300mm（深）。开关柜的结构如图3-36所示，其结构特点为母线气箱和断路器气箱为两个独立的气箱插接结构，在主母线不停电时可实现断路器气箱的更换，在不移动整排拼接好的其他柜时可实现中间一台柜的抽出并更换。试验验证，在零表压时仍可达到额定绝缘水平，为维修提供了充分的时间。开关柜采用气体绝缘母线，相邻柜体之间用硅橡胶连接器插接，现场拼柜时无需充、放气操作。在进线方式上，还可实现电缆或绝缘母线顶部进线。